焊接工艺对T形接头构件焊接应力分布的影响

焊接工艺对T形接头构件焊接应力分布的影响

姚杞1，一，罗

山东济南250107)

震m，罗辉3

(1．天津大学材料科学与工程学院，天津300072；2．天津市先进连接技术重点实验室，天津3130072；3．山东建筑大学，

摘要：T形接头在各种钢结构制造过程中得到普遍应用，其焊接残余应力的存在，直接影响到铜结构的强度和承栽能力。由于现阶段控制和消除残余应力能力还不够成熟。很多方法只能很小部分地控制和消除残余应力，因此残余应力大量的留在T形接头焊接结构件上。为了保证焊接结构的安全可靠性．研究T形接头焊接应力分布规律的影响意义重大。本文利用HZ一21三维应力分布磁测仪测试了T形结构构件的焊接应力．分析了T形焊接接头构件的焊接顺序、焊接热输入不同时引起的焊接应力的变化规律。试验结果表明：Q235B钢以T形接头焊接时，焊接顺序不同．焊接应力的分布也不尽相同：焊接热输入较大时所产生的焊后24h应力分布较均匀，而焊接热输入较小时所产生的焊后24h应力分布变化较大。对T形结构件焊接时选取合理的焊接顺序和适当的焊接热输入具有一定指导意义。关键词：Q235B钢；T形接头；焊接应力；热输入

中图分类号：TG404

文献标志码：B

0引言

目前世界上最高、最大的结构采用的都是钢结构，而历届奥运会的场馆也多采用钢结构，如2008年北京奥运会的国家体育场“鸟巢”，2012年伦敦奥运会的场馆“伦敦碗”等…。但是在钢结构的制造过程

段焊的角度对焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响进行数值分析，结果表明，采用先焊两端后焊中间的方法不仅可以增加整个焊缝的焊接残余低应力区域，而且可以有效地降低先焊区域的焊接残

余应力，降低效果与后焊焊段的焊接方向以及先焊焊段上的点到后焊焊段端部的距离有关[41。但是，他

们都没有通过试验对T形接头焊接应力进行研究。本文利用HZ一2l三维应力分布磁测仪实测T形接头整个构件的残余应力，研究了焊接顺序和热输入对T形接头焊接应力分布规律，对T形结构焊接时选取合理的焊接顺序和适当的焊接热输入具有一定指导意义。

中产生的焊接应力和变形一直备受关注。焊接应力

不仅会改变钢结构的刚度。影响加工精度，严重时还会导致构件的断裂失效等[2j。而在钢结构的制造过程中，大部分的焊接接头都是以T形接头为主，因此研究焊接顺序和热输入对T形接头焊接应力分布规律的影响意义重大。

目前在T形接头焊接应力方面的研究主要是以数值模拟为主，如毕艳霞等人利用有限元软件AN—SYS对T形接头焊接件的焊接温度场与焊接应力场进行三维数值模拟仿真。得到焊件任何时刻的焊接温度场、焊接过程应力场的变化及焊件冷却后的残余应力，并且比较了不同焊接速度对焊接温度场的影响f3]：张利国等人在确定合理的焊接热源形式以及建立有限元模型的基础上．利用单元死活技术从分

1试验

1．1试验材料及设备

试验中采用Q235B钢板。Q235B钢有良好的塑性、韧性以及一定的强度、好的冷弯性能、焊接性优良，在建筑、车辆、桥梁等实际生产制造中具有广泛地应用．其成分及力学性能见表l…。选用E4303焊条焊接Q235B钢焊后的接头塑性和冲击韧

牧稿日期：2012—10—30

基金项目：国家自然科学基金(50975197，51275342．51275338)

国家科技支撑计划(2011BAFllBOO)

性良好，且焊接时，不需预热、控制道间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，E4303焊条

18-试验与研究焊接技术

第42卷第2期2013年2月

的相关参数见表215．

表1

1．2．3焊接顺序不同时各板焊接T艺参数

焊接热输入变化幅值不大时对焊接应力的影响

仲K二笨I(％)

≥26

Q235B钢化学成分和力学性能

力学性能

S

屈服强度尺√MPn

375～500

质I|i}分数(％)

C012-0．20

P≤0．045

≤O045

相对于焊接顺序的影响可以忽略不计。61。表3为板一板横向T形接头不同焊接顺序时各板所采用的焊接T艺参数。

表3板一板横向T形接头不同焊接顺序时各板的焊接工艺参数焊接峨睁编哆

IIlIII

IV

焊接应力测试所用试验设备为HK一21i维应力分布磁测仪j其T作原理是通过磁测法来测定铁磁材料在内应力的作用下磁导率发生的变化，确定残余应力的大小和方向。其他试验设备有直流焊机ZX5—400，高速型材切割机J3GB一400，自控远红外电焊条烘干炉ZYH一10．角向磨光机SIM—BD—100B等。

1．2试验方法

1．2．1

电弧电爪，、’

31303l30

焊接电流，A

103102100

10l

焊接时l'u]／s

155160156158

焊接速度

／(111111

so)

热输入

／(J

him。)49549048548l

6．456．256．406．30

1．2．4焊接顺序不同时横向T形接头焊接顺序

图3中各数字l，2，3，4……表示各焊缝的焊接先后顺序。在后续分析中各焊接顺序编号I，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ简化为板I，板Ⅱ，板Ⅲ，板Ⅳ。

T形接头

1

rnxl00mmx4mmx50采用600mm与100m3

2345

67

8910

minx

l【耵mm

ItJ【Jmm

mm的Q235B钢板装配成T形接头，其示意图如图

ll射mm¨XJmm

1(X)mm1IX)mm

(I)从一端依次焊到另一端

l所示，

8

7

3

4

l

2

6

5

10

9

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l【】【)mm1【】【)mm

1【X)mm儿XJmm1【Xlmm1【Xlmm

(1I)从中心依次焊向两端

16273849510

儿MmmIUUmmlIJummlUJmm儿^JmmlUUmm

(111)从一端的同侧焊到另一端．再从同一端的另一侧焊到另一端

10987612

3

4

图l板一板横向T形接头

llⅢmm【tJummlOUmmlUUmml(X】mmlIXJmm

(1V)中心依次焊向一端．再从中心依次焊向另一端

1．2．2焊接应力测量方法

焊接应力测量位置示意图如图2所示．应力测量起始点距离板端50illm．覆盖整个钢板上的3条焊道。沿宽度方向有3个坐标值y。，y，，y!．：=．所测的焊接应力值为构件中心处的表面焊接应力值二

编号VⅥⅦ

图3焊接顺序不同时横向T形接头焊接顺序

1．2．5焊接热输入不同时各板焊接T艺参数

表4为板一板横向T形接头不同焊接热输入时所采用的焊接T艺参数。

表4板一板横向T形接头不同焊接热输入时的焊接工艺参数

焊接热输入

焊接速度

，(inm-so)

电弧电ftUV焊接电流，^

30

3025

l()o10580

焊接时lh】／s

160153197

热输入／(Jn1111“)

476

6．30

6．505．10

485392

1．2．6焊接热输入不同时各板焊接顺序

焊接热输入不同时各板焊接顺序如冈4所示，

WeldingTechnoIog_Ir

V01．42No．2Feb．2013

板V，板Ⅵ，板Ⅶ的焊接顺序相同。

1029384756

lt^J111133

ItⅣmmluUmm

lⅢmmlWmmI哪mm

图4焊接热输入不同时各板的焊接顺序

2结果与讨论

2．1

焊接顺序不同时板一板横向T形接头焊接应力分析

由于焊前及定位焊后应力值较小，因此，不考

虑其对焊接应力的影响．试验数据只分析焊后24

h

在焊件同一位置的焊接应力分布。考虑到三维应力测试仪的测量误差。在分析过程中．将忽略前3点的数据。

按图3所示焊接顺序及表3中的参数施焊横向T形接头焊后应力分布如图5所示。

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90

120

180

210

240

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330

360．

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一

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一

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测量点位置磊。。

圈5不同焊接顺序时焊后应力分布曲线

由图5可知，采用图3(Ⅱ)所示的顺序施焊时产生的应力值明显大于按其他顺序焊接所产生的残余应力。应力最大值为压应力60MPa(210mm)，压应力最小值为45MPa(90mm与360mm)，应力变化幅值为15MPa。这主要是因为先焊的焊缝先冷却。后焊的焊缝后冷却，先冷却的焊缝对后焊的焊缝的收缩具有一定的约束作用。

焊接顺序Ⅲ所产生的焊后应力以分布曲线最为均匀，拉应力最大值为20．1MPa，最小值为12．6MPa．应力变化幅值仅为7．5MPa。这是因为其焊后变形最大，大部分应力及时得到释放。焊接顺序I焊后应力最大值为拉应力35．1MPa，最小值为拉应

力9．9MPa，变化幅值为25．2MPa，较焊接顺序Ⅲ

大．应力分布较不均匀。板Ⅳ焊后最大压应力值为

9．9

MPa．最大拉应力值为20．1MPa，应力变化幅值

为30MPa，较焊接顺序I(25．2MPa)大，应力分

试验与研究

19

布最不均匀，如表5所示。总之，焊接顺序1V的应力O\"x分布最不均匀，焊接顺序1次之，焊接顺序Ⅱ

随后．焊接顺序Ⅲ的应力分布最为均匀。其中焊接顺序Ⅱ产生了压应力为60MPa的应力峰值。

表5不同焊接顺序施焊后各应力参数

焊接顺序

最大应力值

最小应力值

应力变化幅值

应力分布

编号／MPa／MPa

／MPa

均匀与否l

35．199

25．2

较不均匀

Ⅱ一60．0—45．015．0较均匀Ⅲ

20．112．67．5最均匀Ⅳ

20．1

—9．9

30．0

最不均匀

2．2不同焊接热输入时板一板横向T形接头焊接应

力分析

按图4所示焊接顺序及表4中的参数施焊焊后应力分布情况如图6所示。

已4

笔

墨2十板V是。

+板Ⅵ

蚕一z

+板Ⅶ

图6不同焊接热输入时焊接主应力分布曲线

由图6可知，板V(焊接热输人为476J／mm)和板Ⅵ(焊接热输人为485J／ram)焊后应力分布曲线变化规律基本一致。这充分地说明了试验中当焊接顺序相同，且焊接热输入也相同时，其他因素对焊后残余应力分布的影响不大。从图6中可以看出热输入WlI(焊接热输人为392J／ram)应力叽的分布曲线波动幅度较大。在构件中心处(240mm)达到拉应力峰值99．9MPa，拉应力最小值为30MPa，变化幅值达到69．9MPa。而板V(焊接热输入为476J／ram)和板Ⅵ(焊接热输人为485J／ram)应力O'x分布曲线变化幅度很小，仅为20．1MPa，沿钢板长度方向两端受拉应力作用，中间受压应力作用，没有应力峰值点。综上可知，T形接头在较小的焊接热输入的作用下所产生的焊后应力以分布很不均匀，有应力峰值出现；而在较大的焊接热输入的作用下所产生的焊后应力以分布均匀，没有应力峰值出现。这是因为当热输入增加时，塑性变形增加，使得部分残余应力释放，从而导致残余应力降低一。

20

工艺与新技术

文章编号：1002—025X(2013)02—0020—03

焊接技术第42卷第2期2013年2月

高强韧钢板气体保护焊工艺和接头力学性能

韩丽华

(包头职业技术学院机械工程系，内蒙古包头014030)

摘要：某大型工程需对高强韧钢板S700MC进行批量焊接，为了确保焊接质量，根据其焊接工艺，对其焊接热影响区的最高硬度、焊接接头组织及综合力学性能试验研究，试验结果表明，S700MC钢热影响区组织并未出现淬硬倾向，厚10mm钢板采用文中焊接工艺参数焊后冷裂倾向较小；接头强度及弯曲性能良好，焊接工艺可行。关键词：S700MC钢板；焊接工艺；硬度；力学性能中图分类号：TG407

文献标志码：B

行的，分析的结果难免与生产实际有出入。因此，

0概述

焊接工程中经常遇到一些新材料、新结构或新的工艺方法。在批量焊接前，应进行焊接性研究工作，以确保所采用的新材料、结构或工艺方法能获得优质的焊接接头。研究的基本方法是先分析后试验。焊接性分析是以理论知识和生产经验为依据进

对于重大工程，一般应该在焊接性理论分析的基础上有针对性地做一些焊接性试验加以验证。特别对于一些尚未接触过的新金属材料、新的产品结构、或新的工艺方法。更应通过较为全面的焊接性试验，以获取第一手资料。同时也为制订焊接工艺提供可靠的依据。某大型工程需对高强韧钢板S700MC进行批量焊接，为了确保焊接质量，根据其焊接工艺，

收稿日期：2012—10—12

对接头综合力学性能进行了试验研究。

MPa，没有应力峰值出现。

3结论

(1)Q235B钢板T形接头中焊接顺序从中心先依次焊向一端，再从中心依次焊向另一端的应力以分布最不均匀。变化幅值达30MPa．焊接顺序从一端的一侧焊向另一端。再从同一端的另一侧焊向另一端的应力叽分布最为均匀，变化幅值仅为7．5

MPa。

参考文献：

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华建筑报。2004．

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工大学．2009．

[3]毕艳霞，周继烈．T形接头焊接温度场与应力场的数值模拟[D]．

浙江杭州：浙江大学．2007．

(2)Q235B钢板T形接头中焊接顺序从中心依次焊向两端时产生的应力值最大，最大值为压应力

60

[4]张利国，姬书得，方洪渊，等．焊接顺序对T形接头焊接残余应

力场的影响[J]．机械工程学报，2007，43(2)：234～237．[5]王国凡，张元彬，罗

辉，等．钢结构焊接制造[M]．北京：化

MPa，最小值为压应力45

MPa。

(3)Q235B钢板T形接头在较小的焊接热输入

392

学工业出版社．2004：98—103．[6]袁涛，罗

震．板一板对接焊接应力对焊接变形的影响[M]．天

J／mm的作用下所产生的焊后应力矾分布很不均

匀．变化幅值达69．9MPa，出现压应力峰值99．9MPa，最小压应力为30MPa；焊接热输入较大476J／mm时，焊后应力O\"x分布均匀，变化幅值仅为20．1

津：天津大学．2010．

[7]李国成，蒋文春．线能量对不锈钢复合板残余应力和变形的影响

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